¿Cómo transfieren calor las cintas térmicas a pesar de su baja conductividad térmica?

Me encontré necesitando conectar pequeños disipadores de calor a Mosfets y reguladores de potencia CC. También algunos diodos de alta potencia.

Hoy he aprendido que los compuestos térmicos, incluso los mejores del mercado, son decenas de veces menos conductores que el aluminio o el cobre.

Entiendo que el compuesto térmico se usa solo para cubrir grietas microscópicas.

Pero, ¿qué pasa con las cintas termoadhesivas?

Mi pregunta es:

Usando una cinta térmica, podría cubrir completamente la superficie entre la fuente de calor y el disipador de calor para unirlos.

Si la cinta térmica es 100 veces menos conductora que el aluminio, ¿ cómo logran hacer su trabajo y transferir el calor incluso en aplicaciones de alta potencia?

son muy delgados
Delgado siempre es peor cuando se trata de térmica.
@VoltageSpike si eso fuera cierto, podríamos aislar las casas haciendo que las paredes sean muy delgadas.
@rackandboneman @#^! Siempre confundo la conductividad con la resistividad, es un problema terrible

Respuestas (4)

La resistencia térmica total es la longitud * resistividad / Ac, donde la longitud es la longitud de la ruta conductora, Ac es el área de la sección transversal de la ruta conductora y la resistividad es la resistividad térmica de la almohadilla.

La longitud del camino conductor es en realidad solo el grosor de la almohadilla. Entonces, aunque la resistividad puede ser alta, debido a que el grosor de la almohadilla es muy pequeño, en general es un buen conductor térmico.

Es un objetivo de diseño hacer las almohadillas con el mejor material posible. Es difícil encontrar algo conformable que pueda actuar como una almohadilla disipadora de calor que sea extremadamente conductora como el cobre o el aluminio. A veces, las almohadillas también deben proporcionar aislamiento eléctrico.

Gracias por haber leído mi pregunta. :) Entonces, debido a que la cinta es delgada, el calor logra pasar y, a pesar de ser 100 veces menos conductora que el metal, no es un problema ya que la barrera es pequeña. ¡Gracias!
@marcelm definitivamente. Gracias.

Los compuestos/cintas que disipan el calor son menos conductores que los metales, pero son mucho mejores que el aire. El objetivo principal de estas interfaces es llenar los espacios entre la interfaz sólida entre la fuente de calor y el disipador. Sin tales compuestos, se formarían bolsas de aire y la interfaz térmica sería deficiente. Vea la imagen a continuación ( fuente ). El compuesto ocupa cualquier espacio entre interfaces rugosas. Compare las opciones de interfaz térmica usando la tabla al final de la descripción y verá que los compuestos tienen sentido.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Una sola pieza sólida de cobre o una montaña de aluminio directamente en la matriz del chip sin duda disiparía mejor el calor, pero el problema es que provocaría un cortocircuito en todos los circuitos, por lo que se debe usar la encapsulación de epoxi para una interfaz de aislamiento y, como resultado, algún compuesto para la interfaz. a un disipador de calor de metal.

Cuando el costo no es un problema, se pueden desarrollar interfaces térmicas aún más novedosas. Tengo diamante de cabeza de deposición química de vapor que se usa en ciertos paquetes, ya que el diamante es superior a una interfaz epoxi pero aún tiene propiedades aislantes. Fuente de ejemplo , aunque nunca he usado personalmente tales dispositivos.

Tabla de conductividad térmica:

Conductividad térmica del aire: ~26 mW/mK

Compuesto de embalaje EMC: ~ 2-4 W/mK

Compuesto Térmico Conductividad Térmica Alto Grado: 8.5 W/mK

Aluminio: 205 W/mK

Cobre: ​​385 W/mK

Diamante: 2200 W/mK

Hola. Gracias por su respuesta. Sin embargo, como traté de explicar, entiendo el propósito y la magia de los compuestos térmicos. Mi confusión proviene del hecho de que, mientras que el compuesto térmico líquido se puede aplicar en cantidades delgadas y hacer que se llenen los espacios mediante presión, una cinta térmica cubre (o puede cubrir) el 100% de la superficie, creando una capa de bloqueo entre 2 rieles. Si estos 2 metales tienen 100x o 200x más de conductividad térmica, ¿cómo es que la cinta térmica, bloqueando el contacto entre los dos, con su 100x menos de conductividad, todavía hace el trabajo, por favor?
@Phil. Hagamos un experimento mental. Imagine 2 superficies de cobre que después del mecanizado solo tendrán contacto directo en el 1% del área de la superficie cuando se presionan juntas. El 99% restante son vacíos que no se tocan directamente. Ahora puede dejar que el 99 % restante de la interfaz de área trabaje a través del aire (mala conductividad) o algo más como un compuesto térmico (buena conductividad). Su conductividad térmica efectiva es 1% interfaz de cobre + 99% cualquier otra cosa que elija. Es mejor que elija un compuesto térmico, ya que la eficacia total sería menor que la del aire.
@Phil. Algo similar para las cintas. Una fina capa de cinta interrumpirá el 1% de cobre superior al contacto de cobre, pero sin duda mejorará el 99% restante que habría sido aire. La conductividad total final disminuirá. Tienes que imaginar que las cosas suelen ser muy ásperas a pequeña escala y muy pocas cosas se tocan.

Si la cinta térmica es 100 veces menos conductora que el aluminio, ¿cómo logran hacer su trabajo y transferir el calor incluso en aplicaciones de alta potencia?

Hacen su trabajo porque son mejores que el aire, que es inferior a 0,024 W/(m*K), por lo que son aproximadamente 100 veces mejores que el aire.

Si usa un adhesivo o compuesto térmico, debe ser delgado. El espesor también afecta la conductividad térmica. La conductividad total disminuirá cuando el espesor disminuya. (Piense en las sartenes de teflón, el teflón es uno de los materiales menos conductivos térmicamente, pero si se aplica en una capa delgada, aún conduce suficiente calor para calentar los alimentos) Muchos adhesivos tienen espesores de decenas o cientos de um.

También necesita un "relleno" entre dos piezas de metal, ya que no son perfectamente planas (cuanto más plana desee el metal, mayor será el costo de mecanizado). Esto permite que el aire entre dos superficies metálicas, nuevamente el aire tiene una baja conductividad y el adhesivo es mucho más alto que el aire.

Por cierto, hay nuevos materiales adhesivos hechos de grafito o grafeno, que tienen conductividades de 400 W/(m· K) a 1000 W/(m· K) (en la dirección xy) que tal vez desee comprobar.

https://industrial.panasonic.com/ww/products/thermal-solutions/graphite-sheet-pgs/pgs

Puede obtener almohadillas en los principales distribuidores.

¡Sí, el grafito es realmente bueno! Xy excelente para difundir el calor. Es un cerdo con el que lidiar, ya que se desgarra con tanta facilidad.
Sí, pero el aire o el compuesto térmico solo entran en las grietas. Cuando la superficie es lisa, se tocan sin el compuesto. Mi confusión proviene del hecho de que, mientras que el compuesto térmico líquido se puede aplicar en cantidades delgadas y hacer que se llenen los espacios mediante presión, una cinta térmica cubre (o puede cubrir) el 100% de la superficie, creando una capa de bloqueo entre 2 rieles. Si estos 2 metales tienen 100x o 200x más de conductividad térmica, ¿cómo es que la cinta térmica, bloqueando el contacto entre los dos, con su 100x menos de conductividad, todavía hace el trabajo, por favor?
Edito la pregunta

¿Cómo se las arreglan para hacer su trabajo...

Estoy más familiarizado con las almohadillas que con la cinta adhesiva, pero son similares. Aunque no son tan térmicamente conductores como el metal, son más térmicamente conductores que el aire. Aseguran un buen contacto físico, y son muy delgadas.

Una almohadilla térmica típica tiene una resistencia térmica de 1 W/mK y un grosor de 0,2 mm. Un centímetro cuadrado de esta almohadilla tiene una resistencia térmica de 0,5 grados C/W. Nada mal.

Gracias por su amable respuesta. Lo que no entiendo es que las cintas cubren toda el área, mientras que el compuesto puede rellenar grietas pequeñas y grietas pequeñas solamente. Entonces, si la cinta/almohadilla cubre toda el área con 100 veces menos conductividad, ¿cómo funciona?
Las cintas también se denominan "relleno de huecos". Son muy suaves y confirmarán la textura de la superficie de las dos superficies para llenar los espacios de aire. Se utilizan porque el compuesto térmico es pegajoso y difícil de quitar de las superficies. En un entorno de producción en el que se construyen varias unidades, la cinta que permanece en su lugar es mucho más fácil de manejar. En un entorno de prototipos donde está probando sistemas, la cinta es más fácil de manejar, ya que no desea compuesto térmico en sus manos, banco, herramientas y ropa.
¿Cómo transfieren calor las cintas térmicas a pesar de su baja conductividad térmica?
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